(57)【要約】【課題】            低コストで構造体を製造することができ、また曲げ加工性及びプレス成形性が優れており、機械的手段により締結する場合の限界面圧が高く、軸力を高くすることができるアルミニウム又はアルミニウム合金材及びそれを用いた構造体を提供する。【解決手段】        表面から板厚の１／４の部分を表面層、板厚方向の中心から両表面に向けて夫々板厚の１／６となる板厚の１／３の部分を中心層と定義したとき、この表面層の平均硬さと、中心層の平均硬さとの差が、ビッカース硬さで４Ｈｖ以上１２Ｈｖ以下である。また、板厚方向の硬さ分布の平均値をＸとしたとき、表面から硬さが平均値Ｘとなる位置までの部分を表層部と定義したとき、この表層部の厚さが板厚の１／４以上である。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的手段により締結される用途に使用されるアルミニウム又はアルミニウム合金材において、表面が板厚方向中心部より硬さが高く、板厚方向の硬さ分布の平均値をＸとしたとき、表面から硬さが平均値Ｘとなる位置までの表層部の厚さが板厚の１／４以上であることを特徴とするアルミニウム又はアルミニウム合金材。
【請求項２】
機械的手段により締結される用途に使用されるアルミニウム又はアルミニウム合金材において、表面が板厚方向中心部より硬さが高く、表面から板厚の１／４の表面層の平均硬さと、板厚方向の中心から両表面に向けて夫々板厚の１／６となる厚さが板厚の１／３の中心層の平均硬さとの差が、ビッカース硬さで４Ｈｖ以上１２Ｈｖ以下であることを特徴とするアルミニウム又はアルミニウム合金材。
【請求項３】
板厚方向の硬さ分布の平均値がビッカース硬さで６０Ｈｖ以上８５Ｈｖ以下であることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム又はアルミニウム合金材。
【請求項４】
構造用３０００系又は５０００系アルミニウム合金であることを特徴とする請求項３に記載のアルミニウム又はアルミニウム合金材。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアルミニウム又はアルミニウム合金材同士、又はこのアルミニウム又はアルミニウム合金と、他の品種の材料とを、機械的手段により締結したことを特徴とする構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルト・ナット及びリベット等の機械的締結方法により、アルミニウム又はアルミニウム合金材同士を結合し、又はアルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを結合して、構造材を製造する際等に使用されるアルミニウム又はアルミニウム合金材に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶、鉄道車両、自動車、航空機等の輸送機又は橋梁等の土木・建築構造物において、アルミニウム又はアルミニウム合金製部材又は部品を、ボルト・ナット及びリベット等により機械的に締結する場合、アルミニウム又はアルミニウム合金材は鋼材等に比して、締結部の近傍が変形しやすいという問題点がある。特に、機械的締結により、アルミニウム又はアルミニウム合金材の座面が陥没して、軸力（締結力）が低下してしまう可能性が高いという問題点がある。この問題点の解決方法として、（１）被締結材であるアルミニウム又はアルミニウム合金材の強度を高め、座面が陥没しはじめる限界の面圧（限界面圧）を高める方法、（２）ボルト・ナット及びリベット等の座面外径を大きくすることにより、座面面積を広げ、所定の軸力に対する座面の面圧を低くする方法が考えられる。
【０００３】
また、特許文献１（特開２００２−３３９９９０号公報）のように、被締結材表面に硬質のめっき層を設け、被締結材の限界面圧を高める方法、特許文献２（特開平６−１２２９５０号公報）、特許文献３（特開２００４−１４９８９３号公報）のように、ボルト孔又はリベット孔の近傍部分のみ材質を改良強化し、座面の陥没を防ぐ方法が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３３９９９０号公報
【特許文献２】特開平６−１２２９５０号公報
【特許文献３】特開２００４−１４９８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、アルミニウム又はアルミニウム合金材の強度を高めることにより、被締結材の限界面圧を高める方法は、座面陥没を抑制できる反面、曲げ加工及びプレス成形などによる部材の加工性（成形性）を低下させてしまうという問題点がある。また、アルミニウム又はアルミニウム合金材の強度を高めるためには、マグネシウム等の合金元素の添加量を増やす必要があるが、マグネシウム等の合金元素の添加量を増やすと、材料の耐食性、特に応力腐食割れ感受性が敏感になり、高温多湿等の腐食環境の厳しい部位には塗装等、何らかの防食処理をしなければならず、そのコストが極めて高くなる。防食処理を省くためには、マグネシウム等の合金元素の添加量が少なく、比較的強度が低いアルミニウム合金材を使用する必要があり、これらのアルミニウム又はアルミニウム合金材をボルト・ナット及びリベット等により機械的に締結すると、締結部近傍が変形しやすく、特に座面が陥没して軸力が低下してしまう可能性が高い。このため、高い軸力を付与することができず、高強度の締結部を得ることができないばかりか、使用時に座面が陥没して軸力が低下し、破壊に至る場合も懸念される。
【０００６】
一方、座面の面積を広げるか、又は座金等を使用することにより、所定の軸力に対する座面の面圧を低くする方法は、座面面積の広い特殊なボルト・ナット及びリベット等を使用する必要があり、締結コストが高くなる。また、これにより、重量も増してしまうため、軽量なアルミニウム又はアルミニウム合金材料を使用しても、その軽量効果が低減してしまうという問題点がある。
【０００７】
また、特開２００２−３３９９９０号公報のように、被締結材表面に硬質のめっき層を設け、被締結材の限界面圧を高める方法は、曲げ加工性及びプレス成形性が低くなり、また、めっき工程が必要で、素材コストが高くなるという問題点がある。
【０００８】
更に、特開平６−１２２９５０のように、ボルト孔周辺を高密度熱エネルギーにより溶融させ、アルミニウム又はアルミニウム合金材を改質強化する方法は、この部分の改質工程が一工程増え、ボルト締結部が多数存在する構造体を作製するためには、コストが著しく高くなる。
【０００９】
特開２００４−１４９８９３号公報記載の技術においても、ボルト・ナット及びリベット等の締結部が多数ある構造体を作製するためには、一ヶ所ずつ孔を開けるか、又は多数のツールを具備する装置を使用して一度に孔を開ける必要があり、一ヶ所ずつ孔を開ける方法はコストが高くなり量産品には向かず、多数のツールを具備する装置により一度に孔を開ける場合は、その設備費用が高くなり、やはり構造体の製作コストが高くなるという問題点がある。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、低コストで構造体を製造することができ、また曲げ加工性及びプレス成形性が優れており、機械的手段により締結する場合の限界面圧が高く、軸力を高くすることができるアルミニウム又はアルミニウム合金材及びそれを用いた構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願第１発明に係るアルミニウム又はアルミニウム合金材は、機械的手段により締結される用途に使用されるアルミニウム又はアルミニウム合金材において、表面が板厚方向中心部より硬さが高く、板厚方向の硬さ分布の平均値をＸとしたとき、表面から硬さが平均値Ｘとなる位置までの表層部の厚さが板厚の１／４以上であることを特徴とする。
【００１２】
本願第２発明に係るアルミニウム又はアルミニウム合金材は、機械的手段により締結される用途に使用されるアルミニウム又はアルミニウム合金材において、表面が板厚方向中心部より硬さが高く、表面から板厚の１／４の表面層の平均硬さと、板厚方向の中心から両表面に向けて夫々板厚の１／６となる厚さが板厚の１／３の中心層の平均硬さとの差が、ビッカース硬さで４Ｈｖ以上１２Ｈｖ以下であることを特徴とする。
【００１３】
第２発明に係るアルミニウム又はアルミニウム合金材において、板厚方向の硬さ分布の平均値がビッカース硬さで６０Ｈｖ以上８５Ｈｖ以下であることが好ましい。また、これらのアルミニウム又はアルミニウム合金は、例えば、構造用３０００系又は５０００系アルミニウム合金である。
【００１４】
また、本発明に係る構造体は、上述のアルミニウム又はアルミニウム合金材同士、又はこのアルミニウム又はアルミニウム合金と、他の品種の材料とを、機械的手段により締結したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金材の中心部を含む板厚方向の中央部分（中心層等）は、硬度（ビッカース硬さ）が低いので、アルミニウム又はアルミニウム合金材の曲げ加工性及びプレス成形性を損なうことはない。このため、プレスにより一度に多数の孔開け加工を実施することができる。一方、アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面（表層部又は表面層）は、硬度（ビッカース硬さ）が高いので、ボルト・ナットでアルミニウム又はアルミニウム合金材同士又はアルミニウム又はアルミニウム合金材と鋼材とを締結した場合に、アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面にボルト又はナットの跡が残ることが抑制される。つまり、ボルト・ナットを緊締したときに、アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面に、例えば０．００４ｍｍの陥没（跡）が発生した場合に、アルミニウム又はアルミニウム合金材の表面に作用した圧力が、そのアルミニウム又はアルミニウム合金材の締結時の限界面圧であるとすると、この限界面圧を高めることができる。このように、本発明においては、限界面圧が高いために、より高い軸力でアルミニウム又はアルミニウム合金材を締結することができる。
【００１６】
このため、本発明によれば、ボルト・ナット及びリベット等の機械的締結方法を用いて、軽量なアルミニウム又はアルミニウム合金材からなる構造体を低コストで製作することができる。また、座面面積の広いボルト・ナット及びリベットを使用する必要がないので、軽量効果も維持できる。
【００１７】
そして、本発明のアルミニウム又はアルミニウム合金材は、表層部又は表面層の硬度が高いので、構造体として使用中に、アルミニウム又はアルミニウム合金の表面が変形しにくく、構造体使用中の座面陥没及びそれによるボルト・ナット及びリベットの軸力低下を抑制することができる。
【００１８】
本発明によれば、曲げ加工性及びプレス成形性を高く維持しつつ、アルミニウム又はアルミニウム合金材を機械的手段により締結する場合の限界面圧を高くすることができ、軸力を高くすることができるという効果を奏する。これにより、限界面圧が高いアルミニウム又はアルミニウム合金材の構造体をえることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明においては、アルミニウム又はアルミニウム合金材の板厚方向について、硬度（ビッカース硬さ）を以下のように制御する。但し、いずれの実施形態であっても、表面が板厚方向中心部より硬さが高い。
【００２０】
（１）第１実施形態
板厚方向の硬さ分布の平均値をＸとしたとき、表面から硬さが平均値Ｘとなる位置までの部分を表層部と定義する。この平均値は、アルミニウム又はアルミニウム合金材の板厚方向について表面から中心まで、一定ピッチで硬さを測定し、その測定値の総和を測定点数で除したものである。例えば、板厚が４〜６ｍｍである場合は、測定点数は７〜１１点である。第１実施形態においては、この表層部の厚さが板厚の１／４以上である。
【００２１】
（２）第２実施形態
第２実施形態では、表面から板厚の１／４の部分を表面層と定義する。また、板厚方向の中心から両表面に向けて夫々板厚の１／６となる厚さが板厚の１／３の部分を中心層と定義する。この第２実施形態においては、この表面層の平均硬さと、中心層の平均硬さとの差が、ビッカース硬さで４Ｈｖ以上１２Ｈｖ以下である。
【００２２】
（３）第２実施形態の好ましい態様
第２実施形態においては、板厚方向の硬さ分布の平均値がビッカース硬さで６０Ｈｖ以上８５Ｈｖ以下であることが好ましい。また、これらのアルミニウム又はアルミニウム合金は、例えば、構造用３０００系又は５０００系アルミニウム合金である。
【００２３】
図１は、横軸に板表面からの距離をとり、縦軸にビッカース硬さをとって、本件発明の実施形態のアルミニウム又はアルミニウム合金板の板厚方向の硬さ分布を示すグラフ図である。板厚は６ｍｍであり、その中心部（板表面から３ｍｍの位置を含む部分）でビッカース硬さが最も低く、表面及び裏面でビッカース硬さが最も高い。図２は焼鈍処理したままのアルミニウム又はアルミニウム合金板であり、ビッカース硬さは約６５Ｈｖ（６４．８Ｈｖ）でほぼ一定である。図１の材料は図３（ｃ）と同一材料であり、図２の材料は図３（ａ）と同一材料である。即ち、マグネシウムの添加量が２．７質量％のＪＩＳ  Ａ５４５４Ａｌ合金を常法により鋳造し、熱間圧延及び冷間圧延により板厚を６ｍｍとした後、３５０℃で焼鈍処理を行ったものが図２の材料であり、圧延（スキンパス）を施して表面加工率（５％）を変化させたものが図１の材料である。
【００２４】
本発明においては、図１に示すように、中心層を含む中心部が板表裏面よりも硬さが低いので、曲げ加工性及びプレス成形性等の加工性が優れている。また、板表裏面の表層部又は表面層は、硬さが高いので、ボルト・ナット及びリベット等により機械的に締結するときに、座面が陥没することが抑制され、限界面圧及び軸力を高めることができる。また、構造体としての使用時にも、外力により締結部近傍が変形し、座面が陥没して軸力が低下してしまうことを抑止することができる。なお、限界面圧とは、座面の陥没量が０．００４ｍｍを超えるときの座面圧力（アルミニウム又はアルミニウム合金材とボルト・ナット又はリベットとの接触部の圧力）であり、この限界面圧以下で緊締すれば、軸力の低下による影響が実質的に生じない。よって、限界面圧が高い材料の方が、より高い締結力でボルト・ナット及びリベット等により緊締することができるという利点がある。また、軸力とは、ボルト・ナットの緊締力又はリベットの打ち込み力のことであり、いずれもアルミニウム又はアルミニウム合金材に対しボルト又はリベットの軸方向に作用する力である。
【００２５】
このような作用効果は、（１）のように、表層部の厚さが板厚の１／４以上であることにより得ることができる。
【００２６】
また、（２）のように、表面層の平均硬さと、中心層の平均硬さとの差が、ビッカース硬さで４Ｈｖ以上１２Ｈｖ以下であることによっても、上述の作用効果を得ることができる。
【００２７】
上述のアルミニウム又はアルミニウム合金材を製造するためには、常法により素材を溶解・鋳造・均質化処理を施した後、そのまま熱間圧延工程を経て、所定の板厚としてアルミニウム又はアルミニウム合金板を得る。そして、そのときの熱間圧延仕上げ温度を制御することにより、アルミニウム又はアルミニウム合金板の表面層の硬さを維持しつつ、板厚中央の部分においては成形加工しやすい特性とするために軟化させる。例えば、熱間圧延の巻き取り温度を２５０℃〜３００℃の範囲内になるように制御することにより、前述した特性が得られる。
【００２８】
又は、常法により素材を溶解・鋳造・均質化処理を施した後、熱間圧延及び冷間圧延を施し、所定の板厚とした後、このアルミニウム又はアルミニウム合金板を所定の温度で焼鈍処理し、その後、表面に若干の圧延（スキンパス）を行い、アルミニウム又はアルミニウム合金板の表面層の硬さを高くする。例えば、焼鈍処理後の圧延（スキンパス）は表面の加工率を２〜８％とすることで、前述した特性が得られる。
【実施例１】
【００２９】
次に、本発明の効果を実証するために行った実験結果について説明する。先ず、主添加元素であるマグネシウムの添加量が２．７質量％で、耐応力腐食割れ感受性が良好なＪＩＳ  Ａ５４５４Ａｌ合金を常法により製造し、熱間圧延及び冷間圧延により板厚を６ｍｍとした後、３５０℃で焼鈍処理を行い、表面加工率を変化させて圧延（スキンパス）を施し、４種類のＡ５４５４アルミニウム合金板（１）乃至（４）を得た。図３（ａ）は焼鈍材の板厚方向のビッカース硬さの分布を示し、図３（ｂ）乃至（ｅ）はスキンパス圧延した４種類のＡ５４５４アルミニウム合金板（１）乃至（４）の板厚方向のビッカース硬さ分布を示す。なお、各アルミニウム合金板の硬さ分布は板表面から０．５ｍｍピッチで、ビッカース硬さ試験機（試験荷重０．２９Ｎ）により測定した。
【００３０】
次に、図４（ａ）に示すように、これらの材料を５０ｍｍ角に切り出して供試アルミニウム板１とした。この供試アルミニウム板１の中心に直径１３ｍｍ（ＪＩＳ  Ｂ１００１  １級）のボルト孔を開け、Ｍ１２の六角孔付きボルト２（ＪＩＳ  Ｂ１１７６）と、六角ナット３（ＪＩＳ  Ｂ１１８１）と、平座金４（ＪＩＳ  Ｂ１２５６）とを使用し、図４のように、アルミニウム板１、ボルト２、ナット３及び座金４を配置して、プリセット式トルクレンチにより、４０Ｎ・ｍのトルクを設定し、供試アルミニウム板に座面面圧を付与した。この座面面圧を付与して５時間以上放置した後、締結を解除して、測定部先端の尖ったマイクロメータにより、座面面圧が印加された部位の供試材の板厚を測定して座面陥没量を測定した。図４（ｂ）はこのアルミニウム板１に残った陥没域５を示す。この陥没域５はボルト２の跡である。
【００３１】
また、図５に示すように、曲げ加工性を調査するため、幅５０ｍｍ、長さ２５０ｍｍの板を用意して、曲げ半径＝５．０ｍｍの９０°曲げ試験を実施した。つまり、供試アルミニウム板１を９０°曲げブロック６上に配置し、先端半径が５ｍｍのポンチ７によりアルミニウム板１を曲げることにより、９０°曲げ試験（曲げ半径）を実施した。
【００３２】
以上の試験結果を下記表１に示す。座面陥没量は、締め付けトルクを４０Ｎ・ｍとして測定した。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
本発明の実施例であるアルミニウム合金板（２）、（３）の場合は、表面層と中心層との平均ビッカース硬さの差（α−β）が、４乃至１２Ｈｖであり、しかも、表面硬化層の厚さが板厚の１／４以上であるので、座面陥没量が０．００１ｍｍ以下と極めて小さいと共に、曲げ試験結果も良好なものであった。
【００３５】
これに対し、焼鈍材及びスキンパスの加工率が少ない比較例のアルミニウム材（１）の場合は、表面層と中心層との平均ビッカース硬さの差（α−β）が、４Ｈｖに満たないので、座面陥没量が０．００９ｍｍ以上と大きなものであった。また、比較例のアルミニウム合金板（４）のように、板厚方向の全厚にわたって硬さ分布が高い場合には、座面陥没量は低いものの、硬すぎて曲げ試験で割れが発生した。
【実施例２】
【００３６】
実施例１におけるアルミニウム合金板（２）（実施例）と、焼鈍材（比較例）とを使用して、プリセット式トルクレンチにより設定トルクを変化させ、供試アルミニウム合金板に種々の座面面圧を付与し、その座面面圧で５時間以上放置した後、締結を解除して、測定部先端の尖ったマイクロメータにより座面面圧のかかった部位の供試材の板厚を測定して座面陥没量を求めた。その結果を下記表２に示す。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
アルミニウム合金板（２）の場合は、締め付けトルクが４０ｎ・ｍであっても、座面陥没量が０．００１ｍｍであり、限界面圧は、座面の陥没量が０．００４ｍｍを超えるときの座面圧力であるので、アルミニウム合金板（２）の限界面圧は、４０Ｎ・ｍ以上である。これに対し、焼鈍材の場合は、締め付けトルクが２０Ｎ・ｍの場合は、陥没が発生していないものの、締め付け力が４０Ｎ・ｍになると、陥没量が０．０１２ｍｍになってしまい、限界圧力を超えてしまった。また、締め付け力が６０Ｎ・ｍ又は８０Ｎ・ｍの高トルクで締付け座面に高い面圧を負荷した場合、本発明実施例のアルミニウム合金板（２）の方が焼鈍材よりも、著しく陥没量が少ない。
【実施例３】
【００３９】
ＪＩＳ  Ａ５４５４Ｐ合金以外のアルミニウム合金への本発明の適用の可否について調査した。常法により製造したＡ３００４、Ａ５０５２、Ａ５１５４、Ａ５０８３の４種類の合金を熱間圧延及び冷間圧延により板厚を４ｍｍとした後、３５０℃で焼鈍処理を行い、表面加工率が２〜８％になるように圧延（スキンパス）を施した。その後、実施例１と同様に、各合金につき表面加工率が２〜８％になるように圧延（スキンパス）を施した実施例と、焼鈍処理のままで圧延（スキンパス）を施していない比較例と、加工硬化材で焼鈍処理をしていない比較例材料（Ａ５０８３Ｐ−Ｈ３２）とについて、そのボルト軸力による座面の陥没量及び曲げ加工性を求めた。
【００４０】
断面硬さの測定及びボルト軸力による座面の陥没量、曲げ加工性の調査については実施例１にて使用した試験方法と同様とした。なお、ボルトの締付けトルクは４０Ｎ・ｍと８０Ｎ・ｍの２水準、曲げ半径は５ｍｍと１０ｍｍの２水準で試験を実施した。その結果を図７並びに下記表３及び４に示す。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
【表４】
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【００４３】
焼鈍処理後、表面の加工率が２〜８％になるように圧延（スキンパス）を施した本発明の実施例のアルミニウム合金板は、４０Ｎ・ｍの締付けトルクでは座面陥没が発生せず（限界面圧０．００４ｍｍ以下）、８０Ｎ・ｍのトルクで締め付けた場合でも陥没量が比較的少なくなっている。但し、Ａ５０８３の場合は素材強度が高く、平均硬さが高いため、若干の曲げ加工性の低下が認められた。この比較的強度が高いＡ５０８３材料に本発明を適用した場合には、最小曲げ半径が大きくなり、設計形状に制約を受けるが、座面陥没の抑制には効果が認められる。
【００４４】
一方、焼鈍処理のままでスキンパスを施していない比較例の場合は、４０Ｎ・ｍの締付けトルクでも、少なくとも０．００６ｍｍ以上の座面陥没が認められ、８０Ｎ・ｍのトルクで締め付けた場合は、座面陥没量が０．０９９ｍｍ以上と本発明の実施例の場合よりも著しく大きなものであった。また、加工硬化材で焼鈍処理をしていないＡ５０８３−Ｈ３２材は座面陥没は認められないものの、曲げ半径＝１０ｍｍの曲げ試験でも割れが発生してしまい、曲げ加工性が悪いものであった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の構成を説明するための硬さ分布（ビッカース硬さ）を示すグラフ図である。
【図２】従来の焼鈍材の硬さ分布を示すグラフ図である。
【図３】（ａ）乃至（ｅ）は、表１のアルミニウム合金板（１）乃至（４）及び焼鈍材の硬さ分布を示すグラフ図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）はトルクレンチによる締め付け試験方法を示す図である。
【図５】ピンチによる曲げ試験方法を示す図である。
【図６】種々の材料について、スキンパスを行った実施例のアルミニウム板と、焼鈍材との硬さ分布を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：アルミニウム合金板
２：ボルト
３：ナット
４：平座金
５：陥没域
６：曲げブロック
７：ポンチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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